空間鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工誤差分析及控制

徐志武?王崇強(qiáng)?任杰?孫永明?劉建宏?崔孝顯

摘要：鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)拼裝及吊裝施工過程中，會因各種原因產(chǎn)生各種誤差，導(dǎo)致產(chǎn)生桿件彎曲、單元偏位、就位困難等質(zhì)量問題?，F(xiàn)結(jié)合本工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工中產(chǎn)生的質(zhì)量問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)架結(jié)構(gòu);高空吊裝;原因分析;質(zhì)量控制

網(wǎng)架是由許多桿件按照一定規(guī)律組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可分為平板網(wǎng)架和曲面網(wǎng)架。平板網(wǎng)架采用較多，它是一種平板型的，由多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式通過節(jié)點(diǎn)連接而形成的空間結(jié)構(gòu)，屬于空間鉸接桿系。它改變了平面桁架的受力狀態(tài)，是高次超靜定的空間結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是：空間受力體系，桿件主要承受軸向力，受力合理，節(jié)約材料（如上海體育館，直徑110m，用鋼量僅49kg/㎡），整體性能好，剛度大，抗震性能好。桿件類型較少，適于工業(yè)化生產(chǎn)。

構(gòu)成網(wǎng)架的基本單元包括三角錐、三棱體、正方體、截頭四角錐等，由這些基本單元可組合成平面桁架系網(wǎng)架，四面錐體系網(wǎng)架，三角錐體系網(wǎng)架等不同網(wǎng)架形式;根據(jù)網(wǎng)架連接節(jié)點(diǎn)形式不同，一般可以分為焊接球節(jié)點(diǎn)，螺栓球節(jié)點(diǎn)，鋼板節(jié)點(diǎn)三大類。

網(wǎng)架的形式較多。按結(jié)構(gòu)組成，通常分為雙層或三層網(wǎng)架;按支承情況分，有周邊支承、點(diǎn)支承、周邊支承和點(diǎn)支承混合、三邊支承一邊開口等形式;按照網(wǎng)架組成情況，可分為由兩向或三向平面桁架組成的交叉桁架體系、由三角錐體或四角錐體組成的空間桁架角錐體系等。

我國于1964年建成第一個平板網(wǎng)架（上海師范學(xué)院球類房），在20世紀(jì)80年代后期北京為迎接1990年亞運(yùn)會興建的一批體育建筑中大部分皆采用平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)?？臻g網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，被廣泛用作體育館、展覽館、俱樂部、影劇院、食堂、會議室、候車廳、飛機(jī)庫、車間等的屋蓋結(jié)構(gòu)。

1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體性能好，剛度大，抗震性能好

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由很多桿件從兩個或幾個方向有規(guī)律地組成的高次超靜定空間結(jié)構(gòu)，由于桿件之間的相互支持作用，它改變了平面桁架受力體系，能承受來自各方的荷載，其剛度大、整體性好、抗震能力強(qiáng)。而且能夠承受由于地基不均勻沉降所帶來的不利影響，自動調(diào)節(jié)桿件內(nèi)力，從而保持結(jié)構(gòu)安全。

1.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的自重輕，節(jié)約鋼材

鋼管網(wǎng)架用鋼量一般為20kg/㎡左右，而跨度在100m左右的網(wǎng)架用鋼量為 65kg/㎡。隨著選材的不同，百米跨度的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)用料量也可以大幅度降。

1.3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)適應(yīng)于各種平面形式的建筑

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性大，既適用于中小跨度的建筑 ，也適用于大跨度的房屋，從建筑物平面形式來說，它適于矩形 、圓形、扇形及各種多邊形的平面建筑形式。

1.4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)取材方便

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般取材于Q235或Q345鋼，桿件截面形式多采用鋼管或型鋼，有鋼板節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架、螺桿球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架、支座節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架 、焊接球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架多種節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架形式，取材方便，方便施工。

1.5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)適宜于工廠化生產(chǎn)

由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件或部件規(guī)格劃一，適應(yīng)工廠化生產(chǎn)，從而為加快工程進(jìn)度提供了有利條件和保證。

2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安裝方法

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安裝方法應(yīng)該在滿足工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效果的要求下，結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖┕ぜ夹g(shù)條件，充分考慮網(wǎng)架不同類型和受力，構(gòu)造特點(diǎn)等影響因素綜合確定。安裝方法包括：

2.1 高空散裝法：適用于全支架拼裝的各種類型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，尤其適用于螺栓連接、銷軸連接等非焊接連接的結(jié)構(gòu)。

2.2 分條或分塊安裝法：適用于分割后剛度和受力狀況改變較小的網(wǎng)架，如兩向正交正放四角錐、正向抽空四角錐等網(wǎng)架。

2.3 滑移法：適用于能設(shè)置平行滑軌的各種空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，尤其適用于必須跨越施工（不允許搭設(shè)支架）或場地狹窄、起重運(yùn)輸不便等情況。

2.4 整體吊裝法：適用于中小型網(wǎng)架，吊裝時可在高空平移或旋轉(zhuǎn)就位。

2.5 整體提升法：適用于各種類型的網(wǎng)架，結(jié)構(gòu)在地面整體拼裝完畢后用提升設(shè)備提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高、就位。

2.6 整體頂升法：適用于支點(diǎn)較少的多點(diǎn)支承網(wǎng)架。

3 工程實(shí)例及BIM應(yīng)用

本工程為青島市嶗山區(qū)張村河小學(xué)改擴(kuò)建工程風(fēng)雨操場屋蓋網(wǎng)架，采用螺栓球節(jié)點(diǎn)連接形式。網(wǎng)架桿件為二力桿，所有荷載需通過預(yù)留M20螺栓作用在球節(jié)點(diǎn)上，禁止與節(jié)點(diǎn)球焊接。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布置圖見圖3.1。

為保證整個結(jié)構(gòu)的工藝實(shí)現(xiàn)，本工程在施工前運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)，利用AutoRevit、Tekla等設(shè)計(jì)軟件1：1建立與工程實(shí)際完全相符的鋼結(jié)構(gòu)3D全真模型，在鋼結(jié)構(gòu)建模過程中綜合考慮制作、運(yùn)輸、安裝以及和其它專業(yè)的要求與聯(lián)系，最后生成滿足鋼結(jié)構(gòu)施工的深化圖紙。

鋼結(jié)構(gòu)BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)的過程，其本質(zhì)就是進(jìn)行電腦預(yù)拼裝、實(shí)現(xiàn)“所見即所得”的過程。首先，所有的桿件、節(jié)點(diǎn)連接、螺栓焊縫、混凝土梁柱等信息都通過三維實(shí)體建模進(jìn)入整體模型，該三維實(shí)體模型與以后實(shí)際建造的建筑完全一致;其次，所有加工詳圖（包括布置圖、構(gòu)件圖、零件圖等）均是利用三視圖原理投影生成，圖紙中所有尺寸，包括桿件長度、斷面尺寸、桿件相交角度等均是從三維實(shí)體模型上直接投影產(chǎn)生的。

第一階段，根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖建立軸線布置和搭建桿件實(shí)體模型。導(dǎo)入AutoCAD中的單線布置，并進(jìn)行相應(yīng)的校合和檢查，保證兩套軟件設(shè)計(jì)出來的構(gòu)件數(shù)據(jù)理論上完全吻合，從而確保了構(gòu)件定位和拼裝的精度。創(chuàng)建軸線系統(tǒng)及創(chuàng)建、選定工程中所要用到的截面類型、幾何參數(shù)。

第二階段，根據(jù)設(shè)計(jì)院圖紙對模型中的桿件連接節(jié)點(diǎn)、構(gòu)造、加工和安裝工藝細(xì)節(jié)進(jìn)行安裝和處理。在整體模型建立后，需要對每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行裝配，結(jié)合工廠制作條件、運(yùn)輸條件，考慮現(xiàn)場拼裝、安裝方案及土建條件。

第三階段，對搭建的模型進(jìn)行“碰撞校核”，并由審核人員進(jìn)行整體校核、審查。所有連接節(jié)點(diǎn)裝配完成之后，運(yùn)用“碰撞校核”功能進(jìn)行所有細(xì)微的碰撞校核，以檢查出設(shè)計(jì)人員在建模過程中的誤差，這一功能執(zhí)行后能自動列出所有結(jié)構(gòu)上存在碰撞的情況，以便設(shè)計(jì)人員去核實(shí)更正，通過多次執(zhí)行，最終消除一切詳圖設(shè)計(jì)誤差。

第四階段，基于3D實(shí)體模型的設(shè)計(jì)出圖。運(yùn)用建模軟件的圖紙功能自動產(chǎn)生圖紙，并對圖紙進(jìn)行必要的調(diào)整，同時產(chǎn)生供加工和安裝的輔助數(shù)據(jù)（如材料清單、構(gòu)件清單、油漆面積等）。節(jié)點(diǎn)裝配完成之后，根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中編號原則對構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號。編號后就可以產(chǎn)生布置圖、構(gòu)件圖、零件圖等，并根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則修改圖紙類別、圖幅大小、出圖比例等。

本工程BIM深化設(shè)計(jì)模型圖見圖3.2。

由于網(wǎng)架跨度較大，且場地有限，無法在地面拼裝成整體后吊裝到位。本工程網(wǎng)架施工采用高空散裝法，在樓面搭建臨時支撐平臺，采用平移的方法、分段組對、安裝及就位（高空拼裝的方式）。

所有網(wǎng)架拼裝完畢后，采用六臺千斤頂，支撐在球體受力點(diǎn)，將網(wǎng)架抬高至一定高度后，放置預(yù)制完畢的網(wǎng)架受力支座。使網(wǎng)架的重量均勻的分布在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。尺寸核對完畢后進(jìn)行最終的焊接連接。

在屋面網(wǎng)架施工過程中，出現(xiàn)了支座節(jié)點(diǎn)位移、桿件變形、網(wǎng)架撓度過大等問題，導(dǎo)致單元網(wǎng)架安裝時就位困難或無法就位，影響施工質(zhì)量及進(jìn)度。

分析本工程網(wǎng)架施工時產(chǎn)生的問題，原因有以下幾點(diǎn)：

3.1 施工質(zhì)量控制較差、測量工作不細(xì)致、測量精度不高，導(dǎo)致網(wǎng)架結(jié)構(gòu)預(yù)埋件位置偏差過大;

3.2 鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)單位加工時，桿件下料尺寸不準(zhǔn);鋼結(jié)構(gòu)安裝單位在單元拼裝時未對各個桿件進(jìn)行檢查修正，導(dǎo)致引起網(wǎng)架變形難以精準(zhǔn)就位。

3.3 網(wǎng)架拼裝產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致累積誤差過大;

3.4 網(wǎng)架吊裝時未對吊點(diǎn)、撓度等進(jìn)行檢查驗(yàn)算，導(dǎo)致吊裝后部分網(wǎng)架桿件產(chǎn)生彎曲變形。

4 誤差分析及控制措施

鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)雖是高次超靜定結(jié)構(gòu)，整體性好、安全度高，但是設(shè)計(jì)、制造和安裝中的許多復(fù)雜的技術(shù)問題還沒有被深刻地認(rèn)識到。例如一般結(jié)構(gòu)的次效應(yīng)較小，而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的次效應(yīng)很大，甚至起控制作用。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對設(shè)計(jì)人員、安裝人員的素質(zhì)要求很高。稍有疏忽，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)極易發(fā)生質(zhì)量事故，甚至整體倒塌。

4.1 主要原因

4.1.1 制作原因

4.1.1.1 材料驗(yàn)收及管理混亂，不同鋼號、規(guī)格材料混雜使用，特別是混用了可焊性差的高碳鋼，鋼管管徑與壁厚有較大的負(fù)偏差，安裝前桿件有初彎曲而不調(diào)直。

4.1.1.2 桿件下料尺寸不準(zhǔn)，特別是壓桿超長，拉桿超短。

4.1.1.3 球體或螺栓的機(jī)加工有缺陷，球孔角度偏差過大。

4.1.2 拼裝及吊裝原因

4.1.2.1 進(jìn)行網(wǎng)架拼裝，使小拼單元、中拼單元產(chǎn)生偏差，最后導(dǎo)致整個網(wǎng)架的累積誤差很大。

4.1.2.2 桿件或單元或整個網(wǎng)架拼裝后有較大的偏差而不修正，強(qiáng)行就位，造成桿件彎曲或產(chǎn)生很大的次應(yīng)力。

4.1.2.3 對網(wǎng)架施工階段的吊點(diǎn)反力、桿件內(nèi)力、撓度等不進(jìn)行驗(yàn)算，也不采取必要的加固措施。

4.1.2.4 施工方案選擇錯誤，不采取正確的臨時加固措施，使局部網(wǎng)架成為幾何可變體系。

4.1.2.5 網(wǎng)架整體吊裝時，各吊點(diǎn)起升或下降時不同步，使部分桿件彎曲。

4.1.2.6 支座預(yù)埋鋼板、錨栓位置偏差較大，造成網(wǎng)架就位困難，強(qiáng)迫就位或預(yù)埋板與支座底板焊死，改變了支承的約束條件。

4.1.3 使用及其他原因

4.1.3.1 看圖有誤或粗心，導(dǎo)致桿件位置放錯。

4.1.3.2 使用環(huán)境的變化（包括溫度、濕度、腐蝕性介質(zhì)的變化），以及使用用途的改變。

4.2 應(yīng)對措施

4.2.1 鋼網(wǎng)架安裝質(zhì)量控制措施

4.2.1.1 鋼構(gòu)件組裝

對鋼構(gòu)件的焊接接縫間距和構(gòu)件拼接長度進(jìn)行檢查;按施工方案的要求對鋼結(jié)構(gòu)組裝程序進(jìn)行檢查;按規(guī)范要求對拼裝后鋼結(jié)構(gòu)的軸線交點(diǎn)、對角線等進(jìn)行檢查;構(gòu)件長度和構(gòu)件垂直度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求;對鋼構(gòu)件拼裝完成后的孔位、截面尺寸進(jìn)行檢查，要求偏差滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4.2.1.2 鋼結(jié)構(gòu)焊接

鋼材進(jìn)場前，對鋼材的型號、強(qiáng)度等級進(jìn)行檢查，對需要復(fù)驗(yàn)的材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。經(jīng)檢查及復(fù)驗(yàn)合格后方可進(jìn)場使用;檢查焊接材料是否滿足設(shè)計(jì)要求，是否與母材相匹配，存放條件是否滿足相關(guān)要求;焊工需取得操作證，并在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行施焊作業(yè);焊接施工前，對焊接工藝進(jìn)行評定，正式施焊時，根據(jù)焊接工藝評定報告的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行作業(yè)。

4.2.1.3 緊固件連接

對進(jìn)場的高強(qiáng)螺栓、普通螺栓、連接板等進(jìn)行檢查，應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，對有復(fù)驗(yàn)要求的緊固件，進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)合格后方可使用;按設(shè)計(jì)及更規(guī)范要求對自攻釘、射釘、連接板等斷面尺寸、螺栓開孔大小、螺栓孔間距等進(jìn)行檢驗(yàn);對高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接施工時，應(yīng)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，使用電動扳手進(jìn)行施工時，應(yīng)進(jìn)行標(biāo)志和校驗(yàn)，確保偏差在控制范圍內(nèi);高強(qiáng)螺栓緊固后，外螺絲扣數(shù)量、邊接板接縫應(yīng)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4.2.2 吊裝應(yīng)對措施

4.2.2.1 采用吊裝的安裝方法，其吊點(diǎn)的位置和數(shù)量的選擇，應(yīng)考慮下列因素：a.宜與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)使用時的受力狀況相接近;b.吊點(diǎn)的最大反力不應(yīng)大于起重設(shè)備的負(fù)荷能力;c.各起重設(shè)備的負(fù)荷宜接近。

4.2.2.2 安裝方法選定后，應(yīng)分別對網(wǎng)架施工階段的吊點(diǎn)反力、撓度、桿件內(nèi)力、提升或頂升時支承柱的穩(wěn)定性和風(fēng)載下網(wǎng)架的水平推力等項(xiàng)進(jìn)行驗(yàn)算，必要時應(yīng)采取加固措施。

4.2.2.3 無論采用何種施工方法 ，在正式施工前均應(yīng)進(jìn)行試拼裝及試安裝，當(dāng)確有把握時方可進(jìn)行正式施工。

4.2.3 安裝精度控制措施

測量儀器應(yīng)選擇精度高的，編制相應(yīng)的測量施工方案，確保鋼結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)就位;吊裝前對建筑物的軸線標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核;吊裝前對預(yù)埋件及鋼構(gòu)件的位置、外形尺寸等進(jìn)行檢查;鋼構(gòu)件進(jìn)場前應(yīng)檢查鋼構(gòu)件相關(guān)質(zhì)量證明文件及合格證，外觀有無明顯的質(zhì)量缺陷;鋼構(gòu)件的幾何尺寸偏差應(yīng)符合相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范的規(guī)定;對主要的受壓及受彎構(gòu)件的垂直度和彎曲矢量情況進(jìn)行檢查;對鋼構(gòu)件的整體變形和撓度進(jìn)行檢查和控制。

4.3 鋼網(wǎng)架的檢測

4.3.1 對鋼管桿件的要求：鋼管桿件成品長度，允許偏差±1mm;桿件軸線不平直度L/1000，且不大于5mm。

4.3.2 鋼網(wǎng)架的總拼與安裝要求

4.3.2.1 小拼單元允許偏差

4.3.2.2 中拼單元的允許偏差

4.3.2.3 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝的允許偏差

4.3.2.4 網(wǎng)架撓度

鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)總拼完成后的屋面工程完成后應(yīng)分別測量其撓度值，所測值要小于相應(yīng)的設(shè)計(jì)值的1.15倍。

檢查數(shù)量：跨度在24m及以下鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，測量下弦中央一點(diǎn);跨度在24m以上鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)測量下弦中央一點(diǎn)及各向下弦跨度的四等分點(diǎn)。

5 結(jié)語

鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝工程，必須從設(shè)計(jì)計(jì)算，加工制作，施工安裝各個環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，才能預(yù)防或減少質(zhì)量事故的發(fā)生。

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